馬小晶,周新超,肖新朋,程 璨

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,烏魯木齊 830017)

隨著常規(guī)油氣資源的減少以及能源需求的增長(zhǎng),石油天然氣的開(kāi)發(fā)逐漸從常規(guī)油氣資源轉(zhuǎn)移到了非常規(guī)油氣資源[1]。由于我國(guó)蘊(yùn)藏著較豐富的砂巖致密油(發(fā)展致密油的開(kāi)采技術(shù)是十分必要的,且致密油的存儲(chǔ)規(guī)律和存儲(chǔ)形態(tài)與巖體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙間的相互連通性有著密切的關(guān)系[2],因此,需要對(duì)含有孔隙結(jié)構(gòu)的巖體在常規(guī)作業(yè)中產(chǎn)生的影響展開(kāi)深入研究[3]。

高壓水射流能夠大面積且有導(dǎo)向的碎裂儲(chǔ)層巖體,方便致密油等油氣資源的解吸與滲流,已被廣泛應(yīng)用于鉆井開(kāi)采領(lǐng)域[4]。眾多學(xué)者采用不同的數(shù)值模擬方法研究了各類射流破巖問(wèn)題[5],但針對(duì)射流沖擊含孔隙巖體的破損過(guò)程以及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)破巖效果的研究相對(duì)較少。為了深入探究含孔隙巖體的破損機(jī)制,需要構(gòu)建能夠真實(shí)反映巖體中復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)和分布的模型,為進(jìn)一步提高巖體破損問(wèn)題的模擬精度提供途徑。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)了大量研究。隋微波等[6]將真實(shí)的孔隙抽象簡(jiǎn)化為橢球和球體,研究了三維抽象孔隙模型中孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)孔隙體積壓縮系數(shù)的影響;蔡少斌等[7]為探究油氣資源在巖石多孔介質(zhì)內(nèi)部的遷移過(guò)程,建立了孔隙空間模型,并對(duì)多相流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬研究;李俊鍵等[8]提取了孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,分析了微觀孔喉結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性對(duì)剩余油分布形態(tài)的影響。為了構(gòu)建更加接近真實(shí)巖體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,李博等[9]采用數(shù)字巖心技術(shù)(digital core technology,DCT)生成了含裂隙的巖體三維微觀結(jié)構(gòu)模型,計(jì)算了不同孔隙度下基質(zhì)的介電性質(zhì)。數(shù)字巖心技術(shù)能夠生成非常接近真實(shí)巖體的微觀孔隙結(jié)構(gòu),但需要具體的巖心樣本且生成步驟較復(fù)雜,并存在計(jì)算困難等問(wèn)題[10]。

本文基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出一種孔隙形狀近似(pore shape approximation,PSA)法,建立了含孔隙結(jié)構(gòu)巖體的數(shù)值模型,通過(guò)模擬孔隙巖體的單軸壓縮試驗(yàn),驗(yàn)證了該孔隙結(jié)構(gòu)生成方法的有效性;在此基礎(chǔ)上,引入描述射流和巖體力學(xué)特性的NULL型和H-J-C型本構(gòu)關(guān)系,構(gòu)建出射流沖擊巖體的動(dòng)力學(xué)模型,并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析;之后模擬研究了射流沖擊含孔隙結(jié)構(gòu)巖體的動(dòng)態(tài)過(guò)程,并將孔隙形狀近似法與數(shù)字巖心技術(shù)生成巖體模型的破損過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析;最后著重研究了含不同的孔隙形狀、孔隙尺寸及各種形狀孔隙占比的巖體在射流沖蝕下的破損規(guī)律。

1 SPH方法的基本理論

SPH方法作為一種純拉格朗日的無(wú)網(wǎng)格粒子法,是將計(jì)算域離散為一系列可運(yùn)動(dòng)的粒子,粒子的物理屬性可以通過(guò)求解非穩(wěn)態(tài)N-S控制方程得到,適用于模擬沖擊作用下的大變形和破損現(xiàn)象。粒子的場(chǎng)函數(shù)可通過(guò)周圍粒子的函數(shù)進(jìn)行加權(quán)近似求解,即[11]

(1)

式中:f(x)為坐標(biāo)向量x的函數(shù);Ω為x的支持域;x-x′為粒子間距離;h為光滑長(zhǎng)度;W是核函數(shù),即:

(2)

式中,d為空間維數(shù)。用粒子近似法將連續(xù)形式積分方程寫(xiě)為離散形式的方程,即:

(3)

式中:ρi和mi分別為粒子i的密度和質(zhì)量。

2 巖體內(nèi)孔隙模型的構(gòu)建方法

2.1 孔隙形狀近似法

孔隙的形狀、尺寸以及連通性等會(huì)直接影響開(kāi)采效率,但巖體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,數(shù)值建模時(shí)常會(huì)盡可能的簡(jiǎn)化孔隙結(jié)構(gòu)。Silin等[12]將巖體中的孔隙和孔隙連通喉道分別近似為球體和棍狀,建立了微觀孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型;Sadowsky等[13-14]將孔隙形狀視為圓柱體和狹長(zhǎng)裂縫等,建模時(shí)均抽象為橢球體。

為了構(gòu)建更加貼近真實(shí)的巖體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的模型,本文掃描了4塊砂巖樣本,采用的CT型號(hào)為 phoenix v|tome| x m,掃描精度的分辨率為30 μm,巖石樣本的直徑為30 mm,高度50 mm。每塊樣本得到175張圖片,通過(guò)處理和分析上述圖片研究了砂巖內(nèi)部的孔隙形狀。圖1給出了砂巖樣本和孔隙近似形狀的示意圖,砂巖內(nèi)部的孔隙形狀及分布都較為復(fù)雜,不可能只存在某單一形狀的孔隙,鑒于此,本文提出一種基于SPH方法的孔隙形狀近似法,在前人將孔隙簡(jiǎn)化為球體和橢球體的基礎(chǔ)上,結(jié)合掃描圖增加了其他三種近似形狀,即:薄片體、正三棱柱和正三棱錐,并將孔隙喉道近似為棍狀。

(a) 砂巖樣本

2.2 離散孔隙的構(gòu)建原理

由于研究采用了適用于模擬大變形和破損現(xiàn)象的SPH方法,因此本文將射流、巖體及其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)均離散為一系列的粒子,圖2給出了不同形狀的孔隙的模型示意圖,圖中θ代表孔隙尺寸的指標(biāo)。

圖2 不同形狀的孔隙模型示意圖Fig.2 Model of pores with different shapes

研究中采用了蒙特卡洛法隨機(jī)生成孔隙[15],孔隙均勻分布在巖體內(nèi)部,并且允許孔隙之間存在部分重疊,同時(shí)在孔隙之間還構(gòu)造了多條起連通作用的孔隙喉道,使構(gòu)建的孔隙結(jié)構(gòu)更加接近天然巖體的形成過(guò)程。圖3給出了幾種形狀的孔隙及孔隙喉道在巖體內(nèi)部的分布方向。

(a) 薄片體和橢球體

LS-DYNA軟件中生成巖體模型的步驟為:

步驟1沿X軸排布一列粒子,改變Z軸位移,繼續(xù)沿X軸排布粒子,如此反復(fù),最終構(gòu)成一個(gè)粒子面;

步驟2改變Y軸位移,按步驟1沿Y軸生成一面粒子,重復(fù)上述過(guò)程,最終生成一個(gè)由SPH粒子構(gòu)成的三維巖體,存儲(chǔ)在K文件中。

本研究通過(guò)K文件獲得巖體模型中粒子的坐標(biāo)位置,提取部分巖體粒子并替換為孔隙粒子,即可生成不同形狀的孔隙,構(gòu)建出含孔隙結(jié)構(gòu)的巖體模型。以正方體孔隙為例,生成過(guò)程如圖4所示,步驟為:

圖4 生成正方體孔隙的示意圖Fig.4 Schematic diagram of generating cube pores

步驟1使用隨機(jī)函數(shù)抽取巖體粒子的坐標(biāo)位置,確定出生成孔隙的基準(zhǔn)粒子Pi的坐標(biāo)信息;

步驟2按照粒子的間隔距離,在基準(zhǔn)粒子的位置上分別沿X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向增加2個(gè)粒子,確定出構(gòu)成正方體結(jié)構(gòu)的8個(gè)粒子坐標(biāo),之后將這8個(gè)粒子的屬性替換為孔隙粒子,從而形成正方體孔隙;

步驟3采用隨機(jī)函數(shù)抽取粒子位置,重復(fù)上述步驟1和2不斷生成孔隙,直到孔隙個(gè)數(shù)達(dá)到要求。

2.3 孔隙形狀近似法的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的孔隙形狀近似法的有效性,采用SPH方法和文獻(xiàn)[16]的砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行了模擬,模型尺寸3 mm×3 mm×3 mm的正方體,孔隙特性等參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[16],巖體上表面施加位移荷載,底面建立剛體網(wǎng)格并施加固定約束。圖5為孔隙巖體Von-Mises應(yīng)力分布云圖,由圖5可知,由于巖體內(nèi)部有孔隙結(jié)構(gòu),巖石內(nèi)部的Von-Mises應(yīng)力分布并不均勻,并且在孔隙附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,這與文獻(xiàn)[16]中采用網(wǎng)格法得到的模擬結(jié)論一致。

文獻(xiàn)模型[16](t=0.2 ms)

圖6為經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的孔隙巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線,與文獻(xiàn)[16]中的參考模型擬合曲線相比,本文在前期的上升趨勢(shì)保持一致,并且差距較小。根據(jù)該曲線可得出本文孔隙巖體模型的整體彈性模量為31.987 GPa。表1給出了孔隙巖體的整體彈性模量,由表1可知,文獻(xiàn)[16]采用數(shù)字巖心方法和本文提出的孔隙形狀近似法構(gòu)建的孔隙巖體模型的彈性模量均小于無(wú)孔隙砂巖的彈性模量,這說(shuō)明巖體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)影響其力學(xué)特性,與文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)論吻合。因此,為了分析更加接近實(shí)際的射流破巖動(dòng)態(tài)過(guò)程,本文在巖體中引入孔隙結(jié)構(gòu)。與文獻(xiàn)[16]中數(shù)字巖心方法構(gòu)建的孔隙巖體模型相比,本研究的整體彈性模量更加接近實(shí)際值,這表明基于孔隙形狀近似法建立的孔隙巖體模型更符合實(shí)際,應(yīng)用于數(shù)值模擬可獲得更加精確的研究結(jié)果。

表1 孔隙巖體的整體彈性模量Tab.1 Overall elastic modulus of porous rock

圖6 孔隙巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of porous rock

3 孔隙形狀近似法在射流破巖的應(yīng)用

3.1 巖體和射流的本構(gòu)關(guān)系

本文構(gòu)建了基于SPH方法的水射流破巖模型,水射流采用NULL本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述,并賦予Gruneisen狀態(tài)方程[18],即:

(γ0+aμ)Ea

(4)

式中:C為沖擊波速度與質(zhì)點(diǎn)速度變化曲線截距;S1、S2、S3為沖擊波與質(zhì)點(diǎn)速度變化曲線的斜率系數(shù);γ0為Gruneisen常數(shù);a為一階體積修正量。具體參數(shù)如表2所示[19]。

表2 水射流的參數(shù)Tab.2 Parameters of water jet

研究選用了存儲(chǔ)致密油的砂巖,材料參數(shù)如表3所示[20],滿足H-J-C本構(gòu)關(guān)系,屈服面方程為[21]

表3 砂巖的參數(shù)Tab.3 Parameters of sandstone

σ*=[A(1-D)+Bp*N](1-Clnε*)

(5)

式中:σ*為巖體沖擊載荷下等效應(yīng)力與靜態(tài)屈服強(qiáng)度之比;P*為巖體實(shí)際壓力與靜態(tài)屈服強(qiáng)度之比;ε*為沖擊載荷下巖體應(yīng)變率與靜態(tài)應(yīng)變率之比;A、B、N和C為材料的強(qiáng)度參數(shù),D為損傷因子。

3.2 射流沖擊含孔隙巖體的SPH模型

針對(duì)研究的射流沖擊含孔隙巖體問(wèn)題,本文采用LS-DYNA軟件進(jìn)行分析。模型簡(jiǎn)化為水射流、含孔隙結(jié)構(gòu)的巖體和孔隙物質(zhì)三種物質(zhì),暫不考慮氣相環(huán)境的影響。研究采用了1/2對(duì)稱模型,對(duì)稱面施加SPH_SYMMETRY_PLANE約束,并對(duì)巖石周圍與底面施加SPH_NON_REFLECTING約束模擬巖體的無(wú)限大邊界,同時(shí)約束巖石的豎向移動(dòng)。對(duì)稱后的巖體為10 mm×5 mm×5 mm的長(zhǎng)方體,射流直徑為1 mm,長(zhǎng)度為5 mm。模型共由691 460個(gè)粒子構(gòu)成,其中5 460個(gè)為射流粒子,孔隙及孔隙喉道內(nèi)部填充水,其本構(gòu)關(guān)系和材料參數(shù)與水相同。圖7為射流沖擊孔隙巖體的模型示意圖。

圖7 射流沖擊孔隙巖體的模型示意圖Fig.7 Model of jet impacting porous rock

3.3 模型的驗(yàn)證與分析

(1) 射流破巖問(wèn)題

為了驗(yàn)證本文建立的射流沖擊巖體模型的有效性,對(duì)Xue等[22]研究的水射流沖擊無(wú)孔隙煤巖問(wèn)題進(jìn)行了模擬,各項(xiàng)參數(shù)均與文獻(xiàn)設(shè)置保持一致,巖體部分的模型是半徑25 mm,高度50 mm的圓柱體,射流直徑為1 mm,長(zhǎng)度為50 mm。

圖8和圖9分別給出了t=0.06 ms時(shí)煤巖的破損坑形狀與破損坑深度隨沖擊時(shí)間的變化曲線。從圖8可以看出,本模型的破損坑深度、形狀與文獻(xiàn)[22]的模擬結(jié)果基本相同,符合試驗(yàn)結(jié)果的沖孔形態(tài)。由圖9可知,隨著沖擊時(shí)間的增加,煤巖的破損坑深度不斷增大,與文獻(xiàn)[22]的模擬結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了本文建立的射流破巖模型的有效性。

本文模擬結(jié)果(t=0.06 ms)

圖9 煤巖破損坑深度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Variation curve of coal rock damage pit depth with time

(2) 孔隙形狀近似法與數(shù)字巖心技術(shù)的對(duì)比

在上節(jié)所構(gòu)建的水射流沖擊無(wú)孔隙巖體模型的基礎(chǔ)上,采用孔隙形狀近似法建立了含孔隙巖體的數(shù)值模型,模擬研究水射流沖擊破巖的動(dòng)態(tài)過(guò)程,并與數(shù)字巖心技術(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖10為模型的構(gòu)建流程,DCT是對(duì)砂巖的CT掃描圖片進(jìn)行處理,通過(guò)Avizo等軟件提取孔隙結(jié)構(gòu),而PSA模型則只需根據(jù)掃描得到的孔隙度和孔隙尺寸等核心特性參數(shù)即可生成孔隙結(jié)構(gòu)。DCT所構(gòu)建的巖體模型數(shù)據(jù)來(lái)源于Berea砂巖,孔隙度為14.9%,本文采用PSA構(gòu)建出孔隙度和孔隙平均尺寸與其相同的巖體模型,兩種模型都采用了1/2對(duì)稱模型,巖體尺寸為10 mm×5 mm×5 mm的長(zhǎng)方體,射流直徑為1 mm,長(zhǎng)度為5 mm。

(a) DCT

圖11為上述兩種方法所構(gòu)建的孔隙巖體模型在水射流沖擊作用下的破損演化過(guò)程,圖中藍(lán)色、綠色和紅色分別為水、孔隙和巖體。由圖11可以看出,在射流的持續(xù)沖擊作用下,兩種巖體模型的破損坑均逐漸增大,破損形狀的變化過(guò)程基本一致。

(a) DCT

本文選取了破損坑橫截面的破損寬度指標(biāo)w和破損坑縱截面的破損深度指標(biāo)h以及破損面積指標(biāo)s來(lái)反映巖體的破損情況,其中S是初始巖體縱截面的面積,s為該截面破損坑的面積,如圖12所示。

圖12 巖體破損指標(biāo)的示意圖Fig.12 Diagram of rock damage index

圖13給出了數(shù)字巖心模型和孔隙形狀近似法模型的破損指標(biāo)隨沖擊時(shí)間的變化規(guī)律。

(a) 破損寬度

由圖13可知,上述兩種模型的破損寬度除在t=0.012 ms和t=0.02 ms時(shí)存在較小差異外,其他沖擊時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同;兩種模型的破損面積的變化曲線則幾乎完全重合。由此可知,采用DCT和PSA所建的巖體模型可得到較為一致的破損規(guī)律,這說(shuō)明本文所提的孔隙形狀近似法應(yīng)用于射流破巖問(wèn)題是可行的。

表4給出了孔隙形狀近似法和數(shù)字巖心技術(shù)所建模型的計(jì)算總時(shí)間。兩者的模型參數(shù)完全一致,沖擊總時(shí)長(zhǎng)為0.021 ms,分別選取3種不同孔隙平均尺寸進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值計(jì)算處理器為英特爾i5-10400F。由表4可知,在相同的孔隙平均尺寸下,采用數(shù)字巖心技術(shù)生成的孔隙巖體模型的模擬耗時(shí)大于孔隙形狀近似法,尤其是孔隙平均尺寸較大時(shí),數(shù)字巖心技術(shù)構(gòu)建的模型還會(huì)出現(xiàn)計(jì)算崩潰的現(xiàn)象。顯然,本文提出的孔隙形狀近似法構(gòu)建的模型計(jì)算效率高且穩(wěn)定性好。

表4 不同模型計(jì)算時(shí)間Tab.4 Calculation time of different models

4 孔隙對(duì)巖體破損影響的研究

將孔隙形狀近似法應(yīng)用于射流破巖的模擬研究中,分析含不同的孔隙尺寸、孔隙形狀以及各形狀孔隙占比的巖體在射流沖蝕下的破損規(guī)律。巖體模型的參數(shù)均取尺寸為10 mm×5 mm×5 mm,孔隙度為21%(19%為孔隙,2%為孔隙喉道),射流速度為500 m/s,沖擊總時(shí)間為0.21 ms,取破損面積為巖體破損指標(biāo)。

4.1 孔隙的尺寸和形狀

為了分析孔隙尺寸和形狀對(duì)射流作用下巖體破損規(guī)律的影響,本文對(duì)內(nèi)部?jī)H含單一形狀孔隙和孔隙喉道的巖體的射流破損過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。通過(guò)研究4塊砂巖樣本的實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu),確定了巖體模型中各個(gè)形狀孔隙尺寸指標(biāo)θ(參見(jiàn)本文2.2節(jié)的圖2)的范圍,球體和橢球體孔隙的θ取值分別為0.214 mm、0.285 mm,0.357 mm、0.428 mm、0.5 mm、0.571 mm、0.642 mm和0.714 mm,薄片體、正三棱柱和正三棱錐的θ取值分別為0.142 mm、0.285 mm,0.357 mm、0.428 mm、0.5 mm、0.571 mm和0.642 mm,其中橢球體和薄片體的縱橫比定義為長(zhǎng)軸/短軸,縱橫比的取值范圍1.3～2.2。

不同的孔隙形狀和尺寸會(huì)直接影響巖體的破損程度,圖14給出了t=0.021 ms時(shí)含不同孔隙形狀和尺寸巖體的破損情況。由圖14可知,由于孔隙在巖體內(nèi)部隨機(jī)分布,巖體會(huì)呈現(xiàn)出不同破損形狀,孔隙分布較多的巖體區(qū)域在射流作用下更容易破損。從圖14還可知,當(dāng)0.142 mm<θ<0.375 mm時(shí),在相同的孔隙尺寸下,孔隙形狀對(duì)巖體破損程度的影響較為接近;當(dāng)θ>0.375 mm時(shí),孔隙形狀為薄片體、正三棱柱的巖體破損程度大于球體、橢球體的巖體。

圖15給出t=0.021 ms時(shí)不同尺寸孔隙的破損指標(biāo)對(duì)比。由圖15(a)可知,當(dāng)θ<0.571 mm時(shí),薄片體孔隙的破損寬度最大,且在θ=0.375 mm時(shí)達(dá)到最大值。從圖15(b)可知,當(dāng)θ=0.428 mm時(shí),含橢球體、薄片體和正三棱柱孔隙巖體的破損深度較大,其中薄片體孔隙巖體的破損深度最大;當(dāng)θ=0.5 mm和0.571 mm時(shí),含薄片體、正三棱柱和正三棱錐的孔隙巖體破損深度較大。由圖15(c)可知,當(dāng)0.142 mm<θ<0.375 mm時(shí),在相同孔隙尺寸下,孔隙形狀對(duì)巖體破損面積的影響較為接近;當(dāng)θ>0.375 mm時(shí),含薄片體、正三棱柱的孔隙巖體的破損面積大于球體、橢球體的巖體;當(dāng)θ=0.571 mm時(shí),正三棱錐的孔隙巖體破損面積最大。

(a) 破損寬度

綜上,薄片體孔隙在特定的尺寸下,破損寬度、破損深度和破損面積遠(yuǎn)大于其他形狀的孔隙;當(dāng)孔隙尺寸較大時(shí),孔隙形狀為薄片體、正三棱柱和正三棱錐的巖體在射流沖擊作用下更容易破損,不同形狀的孔隙都存在使巖體破損面積達(dá)到最大的孔隙尺寸。

4.2 不同形狀的孔隙在巖體中的占比

本文分析了不同形狀孔隙占比對(duì)射流破巖效果的影響,構(gòu)建了6種孔隙巖體模型,孔隙平均尺寸保持一致。巖體模型A、B、C和D是基于4塊砂巖樣本的孔隙特性進(jìn)行構(gòu)建,巖體模型E和F則根據(jù)文獻(xiàn)[6]中Berea砂巖和Bentheimer砂巖進(jìn)行構(gòu)建,孔隙形狀占比如表5所示。

表5 模型中的孔隙形狀占比Tab.5 Proportion of pore shape in the model

圖16為t=0.021 ms時(shí)不同巖體模型在射流沖擊作用下的破損效果。由圖16可知,不同巖體模型的破損坑形狀有明顯的差異。圖17給出了不同模型巖體的破損面積隨沖擊時(shí)間的變化曲線。由圖可知,模型C和E以及F的破損面積大于其他模型,其中模型E的破損面積最大,結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn),巖體模型C、E和F中薄片體、正三棱柱和正三棱錐孔隙占比相對(duì)較高,說(shuō)明這類形狀孔隙的存在會(huì)使巖體更容易發(fā)生破損。

圖16 不同巖體模型的破損效果(t=0.021 ms)Fig.16 Damage effect of different models (t=0.021 ms)

圖17 不同模型下破損面積隨沖擊時(shí)間的變化曲線Fig.17 Variation curve of damage area with impact time under different models

5 結(jié) 論

(1) 針對(duì)巖體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),提出一種用于SPH方法的孔隙形狀近似法,構(gòu)建了孔隙巖體的數(shù)值模型,通過(guò)模擬巖體的單軸壓縮試驗(yàn),驗(yàn)證了含孔隙結(jié)構(gòu)巖體模型的有效性。

(2) 將孔隙近似法應(yīng)用于基于SPH方法的射流破巖模擬研究中,并與數(shù)字巖心技術(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明數(shù)字巖心技術(shù)和孔隙形狀近似法構(gòu)造的孔隙巖體模型具有相同的破損規(guī)律,并且孔隙形狀近似法具有較好的穩(wěn)定性和效率。

(3) 模擬研究了孔隙形狀、孔隙尺寸和不同形狀孔隙的占比對(duì)射流破巖的影響,研究結(jié)果表明,不同形狀的孔隙均存在一個(gè)使巖體破損最嚴(yán)重的孔隙尺寸;孔隙為薄片體、正三棱柱和正三棱錐,且孔隙的占比較高時(shí),巖體則更容易被射流破損。針對(duì)目前在射流破巖領(lǐng)域中對(duì)含孔隙巖體的研究較少的情況,提出了一種應(yīng)用于射流破巖領(lǐng)域的孔隙形狀近似法。